一种基于无线通信系统的穿墙成像方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于无线通信系统的穿墙成像方法。该无线通信系统由基站和用户终端组成，其中基站位于室外，用户终端位于室内，基站与用户终端之间进行无线通信，并通过此过程获取信道响应数据。本方法通过对无线信道的建模和成像算法的设计，实现了基于上述信道响应数据的穿墙成像，相比于现有穿墙成像方法，本方法可以完全基于现有无线通信系统，亦可以融入下一代无线通信系统形成感知通信一体化系统，避免了成像系统硬件方面的额外成本，并且穿墙成像的准确性较高，为穿墙成像功能的实现和应用提供了新思路。和应用提供了新思路。和应用提供了新思路。

【技术实现步骤摘要】
一种基于无线通信系统的穿墙成像方法


[0001]本专利技术属于无线通信领域，具体涉及一种基于无线通信系统的穿墙成像方法。

技术介绍

[0002]穿墙成像(Through
‑
the
‑
Wall Imaging，TWI)利用电磁波可以穿透遮挡介质的特性，实现了对于墙体后方、地表下或者叶簇密集处目标的成像探测，包括测距、定位、识别、跟踪以及二维成像、三维成像等任务。
[0003]TWI技术被广泛用于城市反恐以及灾后救援等任务，比如对在城市掩体中或地道、废墟下的活动目标进行探测等等。穿墙成像的广泛应用使其成为了研究热点，目前主流的穿墙成像方法一般属于雷达机制，其具有受环境影响小、成像分辨率高等优点，但是其也存在着设备昂贵、使用不方便、应用场景受限等问题，限制了其的进一步推广。
[0004]现有的无线通信系统的信号频率一般为GHz级别，其信号也具备一定的穿透家庭中房间墙体的能力，并且其部署广泛，成本低廉，因此可以考虑研究基于无线通信系统的穿墙成像流程与方法。
[0005]确定好穿墙成像系统的基本架构之后，如何实现高效而准确穿墙成像依然面临着不少难题。其一是包含目标信息的信道有效部分的能量过于微弱，在此系统中，一次信道的路径并不经过目标物体，因此其不包含室内目标信息，可被视为干扰项，而二次信道包含了全部的目标信息，但是其占据信道能量的比例很小，因此必须设计算法来放大有效信号并减小干扰。另一个则是墙体参数的未知性带来的挑战，具体来说，墙体的存在会引起电磁波传播路径和速度的变化，也会降低信号的强度，如果不对墙体影响进行补偿，会导致成像结果出现伪影、位置偏移或者细节丢失，而当墙体的位置和电磁特性未知时，墙体补偿问题变得更加棘手。穿墙成像系统必须深入考虑这两个问题，并设计对应的处理方案，才能实现高准确性的穿墙成像。

技术实现思路

[0006]针对上述现有技术的不足，本专利技术提供一种基于无线通信系统的穿墙成像方法，其基于通信系统周期性进行信道估计任务得到信道响应数据，来实现穿墙成像，无需对现有通信系统的硬件或软件做出重大修改，是一种经济而高效的穿墙成像方法。
[0007]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0008]提出一种基于无线通信系统的穿墙成像方法，包括以下步骤：
[0009]使用无线通信系统中的基站接收同一系统中用户终端所发送的无线信号，并在基站端进行信道估计，得到信道响应数据；
[0010]将环境空间和墙体进行离散化处理，使用电磁波传播机制，构建信道响应与环境目标的数学模型；
[0011]使用所述信道响应数据，基于所述信道响应与环境目标的数学模型，将穿墙成像问题转化为广义压缩感知优化问题；
[0012]将转化成所述广义压缩感知优化问题的数学模型进行基于全局搜索和最小二乘的墙体参数估计处理，实现墙体影响补偿，将所述广义压缩感知优化问题转化为标准压缩感知问题；
[0013]将所述标准压缩感知问题进行基于近似消息传递的逆问题求解，完成对于环境目标的穿墙成像。
[0014]进一步地，构建所述信道响应与环境目标的数学模型具体包括以下步骤：
[0015]步骤S21，将环境空间和墙体进行离散化处理，设成像的环境空间大小分别为L
L
，L
W
，L
H
，划分后的小立方体的尺寸大小为l
l
，l
w
，l
h
，则整个环境中一共有N＝L
L
/l
l
×
L
W
/l
w
×
L
H
/l
h
个体素；使用x
n
来表示第n个体素的反射系数，因此，使用N维的反射系数向量x＝[x1，...，x
N
]T
来表示待感知的环境空间；同理，墙体的大小为划分为使用来表示墙体的第n
w
个体素的透射系数，因此，使用N
w
维的向量来代表整个墙体；
[0016]步骤S22，使用电磁波传播机制，从第m个用户，穿透第n
w
块墙体，到达基站的一次散射路径的信道响应可以表达为：
[0017][0018]其中，e是自然常数，j是虚数单位，是信道的幅值，是信道的相位，其值均依赖于墙体参数d
w
，具体表达为
[0019][0020][0021]其中，λ是载波信号的波长，是第m个用户到第n
w
块墙体的距离，是从第n
w
块墙体到基站天线的距离，σ是物体的雷达反射截面积；
[0022]步骤S23，使用电磁波传播机制，从第m个用户出发，经过第n个体素，穿透第n
w
块墙体，到达基站的二次散射路径的信道响应可以表达为：
[0023][0024]具体表达为
[0025][0026][0027]其中，d
m.n
是第m个用户到第n个体素的距离，是从第n个体素到第n
w
块墙体的距离，是从第n
w
块墙体的距离到基站天线的距离，其中后两个距离的值均依赖于d
w
；
[0028]步骤S24，总体的信道响应是一次信道响应和二次信道响应的综合，依据多径信道模型，构建信道响应与环境目标的数学模型：
[0029]h
c
＝h
w
+h+v
[0030]＝H
w
·
y
w
+H
·
x+v
[0031]其中，h
c
是信道响应数据，h
w
是一次信道响应，h是二次响应，v是高斯白噪声，H
w
是一次
信道矩阵，y
w
是墙体的透射系数；H是测量矩阵，其计算方式为x是环境目标的散射系数。
[0032]进一步地，将所述穿墙成像问题转化为所述广义压缩感知优化问题具体包括以下步骤：
[0033]使用所述信道响应数据，基于所述步骤S24中得到的信道响应与环境目标的数学模型，将穿墙成像问题转化为广义压缩感知优化问题，表达如下：
[0034][0035]其中x表示环境的反射系数向量，y
w
表示墙体的透射系数向量，||
·
||1，||
·
||2分别是向量的一范数、二范数，h
c
是信道响应，h
′
是二次信道的信道响应，H
w
(d
w
)是按照所述步骤S22所计算的一次散射路径的信道响应矩阵，H(d
w
)示按照所述步骤S23和所述步骤S24所计算的测量矩阵，ε是松弛变量，d
w
表示墙体在x轴的坐标，是墙体位置的取值集合，其中D
min
和D
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于无线通信系统的穿墙成像方法，其特征在于，包括以下步骤：使用无线通信系统中的基站接收同一系统中用户终端所发送的无线信号，并在基站端进行信道估计，得到信道响应数据；将环境空间和墙体进行离散化处理，使用电磁波传播机制，构建信道响应与环境目标的数学模型；使用所述信道响应数据，基于所述信道响应与环境目标的数学模型，将穿墙成像问题转化为广义压缩感知优化问题；将转化成所述广义压缩感知优化问题的数学模型进行基于全局搜索和最小二乘的墙体参数估计处理，实现墙体影响补偿，将所述广义压缩感知优化问题转化为标准压缩感知问题；将所述标准压缩感知问题进行基于近似消息传递的逆问题求解，完成对于环境目标的穿墙成像。2.根据权利要求1所述的基于无线通信系统的穿墙成像方法，其特征在于，构建所述信道响应与环境目标的数学模型具体包括以下步骤：步骤S21，将环境空间和墙体进行离散化处理，设成像的环境空间大小分别为L
L
，L
W
，L
H
，划分后的小立方体的尺寸大小为l
l
，l
w
，l
h
，则整个环境中一共有N＝L
L
/l
l
×
L
W
/l
w
×
L
H
/l
h
个体素；使用x
n
来表示第n个体素的反射系数，因此，使用N维的反射系数向量x＝[x1，...，x
N
]
T
来表示待感知的环境空间；同理，墙体的大小为划分为使用来表示墙体的第n
w
个体素的透射系数，因此，使用N
w
维的向量来代表整个墙体；步骤S22，使用电磁波传播机制，从第m个用户，穿透第n
w
块墙体，到达基站的一次散射路径的信道响应可以表达为：其中，e是自然常数，j是虚数单位，是信道的幅值，是信道的相位，其值均依赖于墙体参数d
w
，具体表达为，具体表达为其中，λ是载波信号的波长，是第m个用户到第n
w
块墙体的距离，是从第n
w
块墙体到基站天线的距离，σ是物体的雷达反射截面积；步骤S23，使用电磁波传播机制，从第m个用户出发，经过第n个体素，穿透第n
w
块墙体，到达基站的二次散射路径的信道响应可以表达为：具体表达为
其中，d
m.n
是第m个用户到第n个体素的距离，是从第n个体素到第n
w
块墙体的距离，是从第n
w
块墙体的距离到基站天线的距离，其中后两个距离的值均依赖于d
w
；步骤S24，总体的信道响应是一次信道响应和二次信道响应的综合，依据多径信道模型，构建信道响应与环境目标的数学模型：h
c
＝h
w
+h+v＝H
w
·
y
w
+H
·
x+v其中，h
c
是信道响应数据，h
w
是一次信道响应，h是二次响应，v是高斯白噪声，H
w
是一次信道矩阵，y
w
是墙体的透射系数；H是测量矩阵，其计算方式为x是环境目标的散射系数。3.根据权利要求2所述的基于无线通信系统的穿墙成像方法，其特征在于，将所述穿墙成像问题转化为所述广义压缩感知优化问题具体包括以...

【专利技术属性】
技术研发人员：张朝阳，章一晗，童欣，刘明，邓志吉，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：